使用自适应跳频提高蓝牙与802.11的共存性

摘要：蓝牙是一种低费用、低功率的无线连接技术，运行在2.4GHz非授权的共享ISM频段。蓝牙技术现在所面临的最大挑战是，解决它与其它运行在该共享频段内设备的共存问题。这些设备包括无绳电话、微记和无线局域网，如802.11b。本文描述解决该问题的一种非协作性共存技术和自适应跳频技术（AFH）。 关键词：蓝牙 自适应跳频 共存性 蓝牙是运行在2.4GHz非授权ISM频段上的短距离无线技术，可用作线缆替代技术或一种先进的个人局域网技术。由于对ISM频段的接入没有限制，蓝牙设备将受到很重要的干扰。干扰源可能是微波炉、无绳电话等，也可能来自无线局域网，如802.11b。在蓝牙规范1.1版本中，采用79跳的伪随机跳频邻 列来克服衰落和其它一些干扰，但是这种跳频机制没有考虑当前ISM频谱占用的情况。自适应跳频（AFH）机制正是根据目前共享频率而产生的干扰所提出的较好的共存机制。它通过改变蓝牙跳频机制，减少跳频数来避免冲突。 1 自适应跳频技术基本原理 自适当跳频是一种避免固定频率干扰的方法。对蓝牙而言，AFH可以划分为以下四个部分： 信道分类——一个信道一个信道地检测干扰源的方法（每个信道1MHz）； 链路管理协议——向蓝牙网络中其它成员协调并分布AFH信息（通过LMP命令完成）； 跳频序列改变——通过有选择性地减少跳频信道数来避免干扰； 信道维持——周期性地重新评估信道的方法。 信道分类是通过检测干扰网络下蓝牙跳频信道的质量，把信道分为“好”信道或“坏”信道；可采用RSSI测量、连续分组错误、分组错误平均数等几种不同的检测方法。不管采用何种分类技术，都是通过衡量信道质量（1MHz信道上）来评估每个信道是“好”是“坏”，然后微网运用链路管理协议来协调和分布信道信息。网络内任何设备的信道测量无论发生在何处，主设备都将分布信道更新信息。根据信道分类，主设备通过发送链路管理协议命令来通知从设备已经从信道表中加入或取消了哪些频率。这就意味着，一个微网要使用自适应跳频，主设备必须具有AFH功能。 一旦确定了一组“好”信道，每个设备就需要更改它们的跳变设置，以避免使用“坏”信道（更改跳频序列）。该跳频更改需要在任何通信设备保持同步（包括时间和频率）。 由于避免了“坏”信道的使用，蓝牙微网将使用一个较小的频率集，FCC规定最少必须使用15个信道。这样就需要周期性地进行信道分类、管理和更新的过程（信道维持），以便更改跳频序列。由于干扰环境可能会改变，信道维持的规律性也需要同睡眠和功率耗费模式进行协调。 根据以上自适应跳频技术原理，图1给出了蓝牙自适应跳频序列产生流程。 信道“好”时，不需重新映射信道；当信道为“坏”时，需要一个“好”信道。当“坏”信道被选出，跳频内核从“好”信道集合中选一个信道来代替它。对于未能替代，而又必须使用的“坏”信道，仍将存在于自适应跳频序列中。这种频率替代方法可以在相同的微网内提高AHF设备与非AFH设备兼容性。 2 两种跳频机制的对比 为了说明起来更明确，我们以一个蓝牙微网和一个802.11b网络为例，对蓝牙79跳频机制和AFH机制进行讨论和对比。 图2描述了未采用AFH机制时，蓝牙与802.11在ISM频段的频率占用情况。其中蓝牙仍采用79跳频序列，802.11占用ISM频段中的约22MHz固定带宽频率。 蓝牙是以每秒钟切换1600次载波的频率跳跃方式的频谱扩散技术来收发电波信号的，每个载波的带宽为1MHz。在现行规范中，使用时在79个不同载波之间进行切换。IEEE802.11b使用的频率信道的带宽约为22MHz，而且前提是采用固定信道。 图2和图3 显然，图2中的两种技术将会发生频率重叠，如果运用两种技术的设备相距较近，会产生冲突干扰。因为802.11b采用固定的频率，而蓝牙进行跳频选择，可对蓝牙设备采用一定的频率避免机制，将蓝牙的频率跳变范围限制在相当于IEEE802.11b的一个频带22MHz带宽之内。 图3所示，蓝牙微网中的设备对每个1MHz信道进行评估，信道被分为“好”或“坏”，并且信道的信息被分布给微网内的所有设备。由于802.11b WLAN的存在，“坏”信道主要包含在被802.11b系统占用的22MHz信道。 图3描述了当一个“坏”信道被确定时，为避免使用被802.11b占用的“坏”信道，跳频内核从“好”信道集合中选出一个“好”信道进行替代。其它“坏”信道也用同样的方法进行替代，从而使蓝牙设备避开使用被802.11b占用的信道。 蓝牙AFH机制有利于降低快速增长的ISM频带拥塞。AFH尤其适用于减弱像802.11b这样的固定频率的设备产生的干扰。通过避免已占用频谱来提高蓝牙链路传输的吞吐量以及可靠性；同时，因为蓝牙设备不在已用频带跳频，也提高了802.11的数据传输吞吐量和语音质量。由于蓝牙系统和802.11系统的冲突减少了，两个系统的重传次数也会相应减少，当然在ISM频带内的干扰也少了。这样，蓝牙设备和802.11等其它共享ISM频段的设备就可以通过简单AFH机制实现共存。 3 小结 AFH是一种对蓝牙和IEEE802.11b使用的频率进行分离的技术。在AFH中，蓝牙的频率跳变范围避开了IEEE802.11b的频带。这样就可以在不对IEEE802.11b使用的22MHz工造成影响的情况下，完成蓝牙的数据收发。由于这种方法不会降低无线LAN与蓝牙的数据传输速度，而且不必对IEEE802.11b进行任何处理，因此实用性很高。当然，随着干扰源的增加，更多的“坏”信道将会从自适应跳频序列中取消，“好”信道数也越少。FCC规定蓝牙自适应跳频信道数不能少于15，如果可用的“好”信道数少于15，蓝牙系统就不得不使用一些“坏”信道。因此，当干扰过多时，AFH机制也不能完全避免系统吞吐量和可靠性的降低。